Стекло — обычный для наших дней материал, который широко используется во многих областях науки и техники: от микроскопов до наноспутников. Однако благодаря своим уникальным свойствам он и сегодня вызывает большой интерес со стороны ученых. Например, в Институте лазерных технологий ИТМО активно занимаются разработками с применением так называемых фоточувствительных стекол.
Кто и когда изобрел эти материалы, для чего они нужны и причем здесь лазеры, порталу Наука.рф рассказал кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института лазерных технологий ИТМО Максим Сергеев.
История картинок на стекле
На самом деле фоточувствительные стекла известны достаточно давно. История их создания связана с фототехникой.
В начале XX века в фотоаппаратах использовались пластинки, чувствительные к свету из-за тонкого слоя галогенидов серебра (соединений галогенов с этим химическим элементом). Когда на пластинки попадал свет, соединения начинали разлагаться — формировался негатив проецируемого изображения. Затем его проявляли, темные области становились светлее, а светлые участки темнее. Так получалось черно-белое изображение.
В тот же период у исследователей возникла идея создать стекло, которое точно так же будет чувствительно к свету. В таком материале можно было бы записывать изображения, как на фотопластинке — облучая светом.
Спустя несколько десятилетий аналогичный материал появился и в России. Коллективу ученых под руководством доктора физико-математических наук Николая Никонорова и кандидата физико-математических наук Леонида Глебова удалось получить фото-термо-рефрактивное стекло (ФТР), которое отличалось по составу, однако обладало теми же фоточувствительными свойствами.
Прочный и хрупкий
В свое время этот метод открыл новые возможности в сфере микро- и оптоэлектроники: используя свет и тепловую обработку, специалисты научились создавать в фоточувствительном стекле сложные микроструктуры.
«Любое стекло — это весьма прочный, но в то же время довольно хрупкий материал. Его сложно обрабатывать, например просверлить отверстия или выточить рельеф. Чтобы провести микрообработку, никакие механические методы не подойдут. Тем более если речь идет о создании трехмерных микроструктур в объеме стекла», — объясняет эксперт.
Изначально этот компонент должен был стать аналогом фотопластинки. Но оказалось, что у фоточувствительных стекол спектр применения гораздо шире.
Благодаря такой технологии обработки стекла можно создавать оптические элементы: наноспутники, микрохимические реакторы и лаборатории на чипе, необходимые для микроаналитических исследований и зондирования окружающей среды.
Чтобы изготовить все эти микроустройства, стеклянную пластинку используют в качестве подложки. В нее встраивают электронные компоненты и таким образом собирают компактные сенсоры, в том числе для анализа окружающей среды, различных веществ, жидкостей и газов. Размер такого прибора будет не больше монеты в один рубль.
Технология, о которой говорится выше, применяется до сих пор. Только сегодня вместо ртутных ламп для облучения задействуют лазерное ультрафиолетовое (с длиной волны 0.355 микрометра) излучение так называемого Nd:YAG-лазера. А также инфракрасное (с длиной волны 10.6 микрометра) излучение СО2-лазера.
Однако, как отметил спикер, у этих методов есть свои недостатки.
Во-первых, с их помощью можно создавать микроструктуры лишь на поверхности стекла. При этом они будут невидимыми, а для их проявления по-прежнему нужна тепловая обработка в печи. Сам процесс кристаллизации стекла контролировать не получится. Представьте: после 12-часового ожидания вы достаете образец из печи и видите, что кристаллическая область в нем оказалась с дефектом. «Стереть» ее нельзя, поэтому придется брать новый материал и начинать процедуру заново.
«Решение этих проблем позволило бы значительно улучшить лазерные технологии обработки фоточувствительных стекол, сделать процесс облучения более управляемым, а результат — прогнозируемым», — поясняет Максим Сергеев.
Такую цель поставили перед собой сотрудники Института лазерных технологий ИТМО. Для своих экспериментов они выбрали лазерные импульсы с пико- (10-12 с) и фемтосекундной (10-15 с) длительностью. Ранее этот подход подсказали японские коллеги из Института физико-химических исследований (RIKEN) в Токио. Но российские ученые пошли дальше и решили использовать более мощное излучение.
Новый метод работает следующим образом: сначала с помощью лазеров внутри стекла создают микротрещины. Затем, чтобы сделать эти области кристаллическими, образец дополнительно облучают СО2-лазером. В результате он нагревается до температуры 350 – 450 °С всего за несколько секунд. Весь процесс можно наблюдать под микроскопом в режиме реального времени.
На видео выше хорошо видно записанную в объеме стекла структуру. На самом деле эта область тоже прозрачная, но у нее другие оптические свойства (поэтому ее и видно). С помощью CO2-лазера мы нагреваем образец и видим, как этот фрагмент кристаллизуется: темнеет и становится желтоватого оттенка.
Такой подход, в отличие от стандартных методов обработки, позволяет управлять процессом и контролировать изменения в материале: ускорить или замедлить кристаллизацию, остановить ее, либо стереть сформированную область в любой момент. Кроме того, для такой технологии не нужна печь, в которой материал долго нагревается.
От медицины до космоса
В настоящий момент проект уже прошел фундаментальный этап. Результаты исследований опубликованы в научных журналах (в том числе в Applied Physics A и Optical and Quantum Electronics). Авторы работы открыты к сотрудничеству и находятся в активном поиске партнеров, чтобы внедрить новую лазерную технологию в производство.
Как подчеркнул эксперт, крупнейшие производители микро- и оптоэлектроники вкладывают серьезные ресурсы в разработку и развитие методов микрообработки стекол, поскольку у этих материалов достаточно широкий спектр применения.
Например, на их основе создают микрохимические реакторы, необходимые для смешивания реактивов в фармацевтике; микрофлюидные системы для разделения органических жидкостей и их спектрального анализа в биологических, медицинских и экологических исследованиях; ловушки для клеток, бактерий и других микроорганизмов; а также всевозможные фоточувствительные датчики и сенсоры, регистрирующие ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение, химические спектральные анализаторы в марсоходах и луноходах.
Все это, как правило, компактные по размеру устройства с низким энергопотреблением и обладающие множеством различных функций. Они способны анализировать вещества в крайне малых объемах и с высокой точностью.
«Сейчас мы занимаемся лазерной обработкой фоточувствительных пленок на основе оксида цинка с наночастицами серебра и другими соединениями. Интерес представляет лазерный отжиг этих пленок непрерывным излучением полупроводниковых лазеров и наносекундными импульсами. Как и в случае со стеклами, мы можем изменять их оптические и фотоэлектрические свойства, и тоже в режиме реального времени», — рассказывает автор проекта.
И хотя это научное направление может показаться довольно узким, такие разработки играют важную роль в области микро- и оптоэлектроники, считает специалист. Развитие подобных проектов позволит наладить производство сложных технологий, для которых необходимы тонкие, хрупкие и чувствительные к воздействию материалы.
Анна Шиховец
